C++ 类型系统

C++ 的类型决定一个值能做哪些操作，也决定对象的存储要求。回答类型题时，需要分清语言规定的行为和某台机器上的实现结果：sizeof(char) 必定是 1，sizeof(int) 却不能脱离目标平台直接回答。本文示例使用 C++17。

1. 面试核心

先记住这几条，再读正文

• C++ 的对象不只包括类实例，一个整数、数组或指针变量也可以是对象；引用则提供已有对象或函数的别名，本身不是对象类型。
• const 限制通过当前类型进行修改，不自动把所有间接指向的对象变成不可变对象；指针本身与所指对象可以分别受限。卡 · const 与初始化
• struct 和 class 都能定义成员函数、构造函数和继承关系，主要语言差异是默认成员访问权限与默认继承权限。卡 · struct、class 与 union
• sizeof 计算类型或对象表示占用的字节数，不计算字符串内容的长度；数组整体与退化后的指针必须分开。卡 · sizeof 与对象布局
• 类对象可以包含对齐填充，成员大小之和不一定等于对象大小；具体大小和布局需要结合 ABI 与编译选项判断。卡 · sizeof 与对象布局

2. 类型、对象与表达式

对象是程序运行时具有存储区域、类型和生命周期的实体。int count = 3; 定义了一个 int 对象；int* pointer = &count; 又定义了一个指针对象。不要把 C++ 的“对象”只理解成 Java 中通过 new 得到的类实例。

类型规定合法的值和操作。例如整数可以做整数除法，指针可以指向对象，函数类型描述参数和返回结果。常用类型可以这样整理：

类别	例子	准备重点
基本类型	bool、char、整数、浮点数、void	表示范围、转换和适用操作；void 不能直接定义对象
复合类型	数组、指针、引用、函数、类、枚举	对象关系、生命周期、访问和调用规则
cv 限定	const、volatile	类型上的访问限制；volatile 不提供线程同步

表达式还具有值类别。例如变量名 count 是可以标识某个对象的左值表达式，3 + 4 是产生值的纯右值表达式。类型与值类别是两个维度：它们一起影响重载选择和引用绑定，进一步见C++ 复制与移动。

auto 是类型推导，不是运行时动态类型。auto count = 3; 得到 int，后续赋值不会让 count 变成另一个类型。

3. 数值类型与转换

基本类型的名字不等于固定宽度。C++ 保证整数类型之间的最低范围和大小关系，具体实现可能选择不同的宽度；long 在常见的 64 位 Unix 和 64 位 Windows 上就可能不同。需要固定宽度时，检查 <cstdint> 提供的 std::int32_t 等类型是否可用，并明确数据格式要求。

sizeof 的一个单位是 C++ 的一个字节，即 sizeof(char)。一个字节至少能表示 8 位信息，确切位数可由 <climits> 的 CHAR_BIT 得到；不要仅从“一个字节”推出所有实现都恰好 8 位。

整数混合运算还会发生转换：

#include <cassert>

int main() {
    int negative = -1;
    unsigned int positive = 1;
    assert(!(negative < positive));

    int count = 3;
    double ratio = count / 2;
    assert(ratio == 1.0);
    assert(count / 2.0 == 1.5);
}

第一处比较中，int 与 unsigned int 具有对应的转换等级，negative 转换为无符号值后再比较，所以结果不是数学上的 -1 < 1。第二处先执行整数除法得到 1，再转换成 double，赋值目标的类型不能倒过来改变已经完成的除法。

在 C++17 中，无符号运算按其范围做模运算，有符号整数溢出则是未定义行为。未定义行为表示语言不再保证程序结果，不能把某次运行“刚好绕回去”当作正确算法。

4. const 与初始化

卡 · const int* 与 int* const 分别限制什么？

const 表示通过受限定的类型不能修改对象，但限制可能只作用于一层：

int count = 3;
const int* reader = &count;
int* const fixed = &count;

// *reader = 4;  // 编译错误：不能通过 reader 修改 int
*fixed = 4;     // 可以修改 count
// fixed = nullptr;  // 编译错误：fixed 本身不能重新赋值

reader 是“指向只读 int 的可变指针”，fixed 是“指向可变 int 的不可重新赋值指针”。count 本来不是 const，所以仍能通过允许修改的路径改变它；如果对象一开始就定义为 const，强制去掉限定后修改该对象本身是未定义行为。

const 也不等于编译期常量。const int size = read_size(); 可以在运行时取得值；需要满足常量表达式要求时，再考虑 constexpr 及其限制。

初始化应该明确。函数内的 int count; 没有为这个标量提供可读取的确定值；int count{}; 会得到 0。对于类对象，默认初始化是否设置每个成员，要看构造函数和成员初始化规则，不能一概称为“自动清零”。

5. struct、class 与 union

卡 · C++ 的 struct 和 class 有什么区别？

struct 与 class 都是定义类类型的方式。struct 默认公开成员、默认公开继承；class 默认私有成员、默认私有继承。显式写出访问控制后，可以得到相同的接口行为。

struct PublicCounter {
    int value = 0;
    void increment() { ++value; }
};

class PrivateCounter {
public:
    void increment() { ++value; }
    int get() const { return value; }
private:
    int value = 0;
};

两者都能拥有构造函数、析构函数、虚函数和模板成员。工程上可以用 struct 表示直接承载数据的类型、用 class 维护需要保护的不变量，但这是设计习惯，不是“struct 不能封装”的语言限制。C 语言的 struct 不具备这一整套 C++ 类机制，讨论 C 与 C++ 时要先说明语言。

联合体 union 让多个成员共用存储，通常同一时刻只有一个活动成员。它的大小至少容纳最大成员，还可能需要满足对齐。不能通过依次写入不同成员，把它当成能同时保留所有值的结构体；也不能在 C++17 中无条件读取非活动成员来完成类型转换。需要带类型标签的安全选择，可以使用 C++17 的 std::variant。

6. sizeof 与对象布局

卡 · sizeof 和 strlen 对字符数组与指针分别计算什么？卡 · 为什么结构体大小不一定等于各成员大小之和？

sizeof 的操作数通常不求值，结果类型是 std::size_t。它根据类型确定对象表示的大小，包含类对象的必要填充。

#include <cassert>
#include <cstring>

int main() {
    char text[] = "abc";
    const char* pointer = text;

    assert(sizeof(text) == 4);
    assert(std::strlen(text) == 3);
    assert(sizeof(pointer) == sizeof(const char*));

    int count = 3;
    auto bytes = sizeof(count++);
    assert(count == 3);
    assert(bytes == sizeof(int));
}

text 是 4 个字符的数组，其中最后一个是终止符 \0；strlen 扫描到终止符前停止，所以是 3。pointer 则是一个指针对象，sizeof(pointer) 与它指向的字符串有多长无关。count++ 位于不求值的操作数中，因此没有发生递增。

对齐要求规定对象地址需要满足的边界，可以用 alignof(T) 查询。以 struct Record { char flag; int value; }; 为例，实现可能在 flag 和 value 之间插入填充，也可能在末尾补齐，使数组中的每个 Record 都能满足对齐。因此对象大小不能简单写成 sizeof(char) + sizeof(int)。

面试给定平台和布局规则时，可以逐个推算偏移，再补齐整个对象的尾部。没有这些前提时，回答“可能有填充，具体值需检查实现”比背一个固定数字准确。空类也不能简单推断为大小 0：完整的空类对象需要能具有可区分的身份；空基类等子对象则还有独立规则。

7 · 面试题卡片

先想答案，再翻面先在心里答一遍，再点开卡片对照参考回答。卡片之间可以左右切换，看完会回到这里。

逐张翻看 4 张 →

struct、class 与 union

C++ 的 struct 和 class 有什么区别？

考察 1 点 · 相关 §5未标记

sizeof 与对象布局

sizeof 和 strlen 对字符数组与指针分别计算什么？

考察 1 点 · 相关 §6未标记

sizeof 与对象布局

为什么结构体大小不一定等于各成员大小之和？

考察 1 点 · 相关 §6未标记

const 与初始化

const int* 与 int* const 分别限制什么？

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考察 1 点 · 相关 §4未标记

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本页题目与参考回答

7.1 C++ 的 struct 和 class 有什么区别？

考察重点：默认访问、继承和语言边界。

相关内容：struct、class 与 union。

参考回答

主要区别是默认访问权限：struct 的成员与继承默认是 public，class 默认是 private。 两者都能有构造、析构、成员函数、虚函数和继承。使用显式访问控制后，可以表达相同的类机制；“struct 只装数据”是约定，不是 C++ 的限制。C 的 struct 需要另按 C 语言规则讨论。

7.2 sizeof 和 strlen 对字符数组与指针分别计算什么？

考察重点：数组类型、终止符、指针对象与不求值操作数。

相关内容：sizeof 与对象布局。

参考回答

sizeof 计算类型对应的对象大小，strlen 扫描以零终止的字符串内容。 char text[] = "abc" 的 sizeof 是 4，包含终止符；strlen 是 3。指针变量的 sizeof 是指针对象本身的大小，不是目标字符串大小。数组作为普通函数参数会调整为指针参数，不能在函数内靠 sizeof(parameter) 找回原数组长度。

7.3 为什么结构体大小不一定等于各成员大小之和？

考察重点：成员偏移、对齐、尾部填充和实现条件。

相关内容：sizeof 与对象布局。

参考回答

实现可能为成员和对象数组插入对齐填充。 成员起始位置要满足相应对齐要求，整个对象末尾也可能补齐，确保数组中的下一项仍满足要求。实际大小取决于成员类型、ABI 和编译选项；应先给出这些条件，再推算偏移或用 sizeof、alignof 验证，不能只报一个平台上的固定值。

7.4 const int* 与 int* const 分别限制什么？

考察重点：顶层与所指类型的 const 限定、修改路径和对象本身的性质。

相关内容：const 与初始化。

参考回答

const int* 限制通过指针修改目标，int* const 限制指针变量重新赋值。 前者可以换指向，但不能通过解引用写入；后者不能换指向，但目标不是 const 时仍能修改。目标本来是可变对象时，仍可能被其他可写路径修改，所以只读访问不等于整个对象不可变。

8. 参考资料

• C++17 草案 N4659：Types
• C++17 草案 N4659：Sizeof
• C++17 草案 N4659：Member access control
• C++17 草案 N4659：Usual arithmetic conversions

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